Mitä tiedämme maailmankaikkeudesta

Fysiikassa halutaan selvittää miten maailmankaikkeus käyttäytyy. Tämä on luonnollisesti melko haastava tehtävä, mutta meillä on onneksi käytössämme muutamia yksinkertaistuksia, jotka helpottavat hommaa huomattavasti.

Yksi tapa on kuvata uskomattoman suuresta atomimäärästä koostuvaa monimutkaista kokonaisuutta (kuten planeettaamme Maata) tutkittavan ilmiön kannalta oleellisilla suureilla (kuten Maan massa ja säde). Silloin kun hienorakenne ei vaikuta merkittävästi lopputulokseen (esimerkiksi Maan rataa laskettaessa), se voidaan hetkeksi unohtaa.

Toinen tapa on jakaa suuria kappaleita niiden yhteisiin rakenneosasiin ja kuvailla aineen (esimerkiksi vesi) ominaisuuksia näiden rakenneosasten (esimimerkiksi vesimolekyylit) ominaisuuksien avulla. On olemassa valtavasti ilmiöitä, joita olisi todella vaikea ymmärtää ilman tämänkaltaista reduktionismia.

Samalla reduktionismi avaa oven tietynlaiselle materialismille tai fysikalismille, joka on tyypillinen (joskaan ei universaali) fysiikan tarjoaman maailmankuvan lähtökohta: Havaitsemamme maailmankaikkeus koostuu sellaisista elementeistä, jotka (ainakin periaattessa) voidaan havaita. Tällaiset elementit ovat (ainakin periaatteessa) fysiikan tutkittavissa, joten koko maailmankaikkeus ja sen ilmiöt ovat fysiikan tutkimuskenttää.

Onko maailmankaikkeudessa elementtejä, joilla ei ole fysikaalista vastinetta? Tällaisiin kysymyksiin emme tietenkään voi vastata havaintoihin perustuvassa luonnontieteessä, sillä jos tällaisia elementtejä on, ei niitä voi tutkia fysiikan keinoin. Tämänkaltaiset metafysiikan kysymykset ovat kuitenkin tärkeitä luonnontieteissä, ja aivan erityisesti fysiikassa, sillä ne voivat ohjata ja selventää sitä, mitä kannattaa tutkia ja mitä ylipäänsä voidaan tutkia.

Nykyisin voidaan sanoa, että fysiikan avulla osataan selittää erittäin hyvin (joissain tapauksissa lähes täydellisesti) sekä näkyvässä maailmankaikkeudessa olevan näkyvän aineen makroskooppisten (hiekanjyvää suurempien) kappaleiden että mikroskooppisten asioiden (kuten atomien tai alkeishiukkasten) liikkeet ja ominaisuudet. Makro- ja mikromaailman kuvailuun käytetyt mallit ovat kuitenkin niin erilaisia keskenään, että ne kannattaa käsitellä erikseen.

Tämän "tunnetun fysiikan" ulkopuolelle jäävät ne maailmankaikkeuden osat, joita emme voi havaita sekä sellaiset energiamuodot, jotka eivät heijasta valoa (niitä kutsutaan pimeiksi). Pimeä energia ja pimeä aine näyttäisivät vuorovaikuttavan vain gravitaation kautta ja ovat siksi vaikeita tutkia. Avoimia kysymyksiä on toki muitakin, mutta pääpiirteissään voimme väittää ymmärtävämme maailmankaikkeuden rakenteita jopa merkillisen hyvin (ottaen huomioon kuinka yksinkertaista porukkaa itse olemme). Aloitamme erilaisten vuorovaikutusten kuvailulla, siirrymme siitä mikromaailmaan ja lopulta makromaailman kautta pimeään energiaan.

Millä tavoin eri kappaleet vaikuttavat toisiin kappaleisiin? Oli kyse sitten atomeista, omenoista tai galakseista, nykytiedon mukaan erilaisia vuorovaikuttamisen tapoja on vain neljä. Tämä tuntuu monimutkaisessa maailmassa yllättävän pieneltä määrältä, mutta täytyy muistaa, että nämä neljä perusvuorovaikutusta voivat ilmetä useilla eri tavoilla.

Luonnon perusvuorovaikutukset

1. Gravitaatiovuorovaikutus

2. Sähkömagneettinen vuorovaikutus

3. Vahva vuorovaikutus

4. Heikko vuorovaikutus

Kaksi näistä neljästä on meille arkielämästä tuttuja: gravitaatio ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Gravitaatio selittää miksi massiivisen kappaleet vetävät toisiaan puoleensa, eli miksi kynä putoaa lattialle, kun siitä päästää irti tai miksi Maa kiertää Aurinkoa.

Tietyssä mielessä Maa putoaa Aurinkoa kohden (ja toisinpäin).

Arkielämän ilmiöissä voikin sanoa, että kaikki mikä ei ole gravitaatiota, on sähkömagnetismia. Sähkömagnetismi selittää sekä sähköiset ilmiöt, että magneettiset ilmiöt: kompassien ja salamoiden toimintaperiaate on siis samaa alkuperää. Sähkölaitteiden virtapiirit perustuvat sähkömagnetismiin, mutta niin perustuvat myös aineiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet samoin kuin valo ja sitä kautta esimerkiksi näkeminen.

Kaksi muuta perusvuorovaikutusta ovat vaikeammin havaittavissa ja ne on siksi löydetty myöhemmin. Ajatellaanpa vaikka heliumatomia, jossa kaksi elektronia kiertää ydintä, jossa on kaksi protonia. Voidaan sanoa, että elektronit pysyvät positiivisesti varatun ytimen ympärillä, koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Miten sitten on mahdollista, että ytimen kaksi protonia pysyvät tiiviisti yhdessä vaikka hylkivätkin toisiaan?

Olisiko niin, että on olemassa joku hylkivää sähkömagneettista vuorovaikutusta voimakkaampi vuorovuorovaikutus, joka pitää protonit atomin ytimessä? Tälle vuovovaikutukselle onkin annettu mielikuvituksellinen nimi vahva vuorovaikutus, johon liittyy vahva ydinvoima. Vahva vuorovaikutus "liimaa" protoneja ja neutroneja toisiinsa ja toisin kuin gravitaatio tai sähkömagnetismi, vaikuttaa vain erittäin lyhyillä etäisyyksillä. Sitä on siksi vaikeampi havaita (ja tutkia), sillä ensin pitää jotenkin päästä atomin ytimeen käsiksi.

Raskaiden alkuaineiden radioaktiivista hajoamista ei kyetä selittämään jo mainituilla kolmella perusvuorovaikutuksella, vaan tarvitaan vielä neljäs. Tämäkin vaikuttaa atomien ytimissä lyhyen kantaman vuorovaikutuksena ja on voimakkuudeltaan heikompi kuin vahva vuorovaikutus. Sen helposti muistettava nimi onkin heikko vuorovaikutus (joka aiheuttaa heikon ydinvoiman).

Havaitsemamme valo on sähkömagneettisen kentän värähtelyjä, joita kuvataan fysiikassa kahdella eri tavalla. Klassinen kuvaus mallintaa värähtelyjä kuten vesiaaltoja ja valon ominaisuudet ovat siinä samankaltaisia kuin vesiaaltojen ominaisuudet. Valon kvanttikuvauksessa valoa käsitellään hiukkasina - valohiukkanen fotoni on siis kvanttimallista löytyvä sähkömagneettisen kentän värähdys. Klassisessa mallissa näkemisen mahdollistavat valoaallot, kvanttimallissa valohiukkaset

Sama pätee muillekin kentille: klassisessa mallissa kentän värähtelyt muistuttavat tavallisia vesiaaltoja, kun taas kvanttimallissa puhutaan useimmiten hiukkasista, jotka ovat kvanttikenttien erilaisia värähtelyjä. Mallit eivät ole toisiaan poissulkevia, vaan kvanttimallia kannattaa ajatella tarkempana kuvauksena samasta ilmiöstä. Klassinen malli saadaan kvanttimallista ”huonontamalla resoluutiota”, jolloin kvantti-ilmiöt ”keskiarvoistuvat” pois. Esimerkiksi klassista valoaaltoa voi ajatella niin suurena määränä fotoneita, että kaukaa katsottuna yksittäisiä hiukkasia ei erota - samaan tapaan kuin vesiaallossa et paljaalla silmällä erota yksittäisiä vesimolekyylejä.

Klassinen kuvaus on olemassa jokaiselle vuorovaikutukselle. Kvanttikuvaus onnistuu sähkömagneettiselle sekä heikolle ja vahvalle vuorovaikutukselle, mutta gravitaatio jää ulkopuolelle. Tämä tarkoittaa, että kaikkia neljää vuorovaikutusta ei osata käsitellä samalla tavoin. Yksi fysiikan avoimista kysymyksistä onkin löytää gravitaatiolle toimiva kvanttiteoria, jolloin kaikki neljä vuorovaikutusta osattaisiin kuvata saman järjestelmän sisällä.

Sähkömagneettinen kenttä sekä heikon ja vahvan vuorovaikutuksen kenttien kirjoittaminen kvanttimuodossa on mahdollistanut näiden kolmen yhdistämisen yhteen pakettiin hiukkasfysiikan standardimallissa, jota käsitellään kohta tarkemmin. Fysiikan erilaiset perushiukkaset (esimerkiksi elektronit) ovat siis perusvuorovaikutuksia kuvaavien kvanttikenttien värähtelyjä ja niiden väliset vuorovaikutukset ovat näiden keskenään vuorovaikuttavien kenttien ilmentymiä. Tilanteesta riippuen voidaan puhua joko kentistä tai hiukkasista (tai molemmista), ne ovat saman kokonaisuuden kaksi erilaista kuvausta.

Tunnetut neljä perusvuorovaikutusta jakautuvat nykyfysiikan teorioissa siis kahteen osaan:

1. Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa gravitaatiovuorovaikutusta.

2. Hiukkasfysiikan standardimalli kuvaa sähkömagneettista sekä heikkoa ja vahvaa vuorovaikutusta.

Hiukkasfysiikkaan palataan tarkemmin moduulissa FY8, mutta katsotaan jo tässä kohtaa hieman atomin sisälle hahmottaaksemme luonnon rakennuspalikoita ja niiden kokoluokkia.